Чередник Павел Федорович. Широкополосная Эмос в электродинамических громкоговорителях. Теория, схема, наладка

Павел Чередник

Широкополосная ЭМОС в электродинамических громкоговорителях.

Теория, схема, наладка.

Введение

Электродинамический громкоговоритель, имеющий общепринятое полужаргонное название, головка динамическая (ГД), или просто, головка, а также, динамик, все еще является основным средством звукоизвлечения, несмотря на присущие ему недостатки. Эти недостатки, при ближайшем рассмотрении имеют одну природу, носящую фундаментальный характер, - ее название - инерция.

ГД представляет собой колебательную систему, обладающую вполне определенными собственными внутренними свойствами. Рассмотрим, как проявляют себя ее инерциальные свойства, на простом и наглядном примере - качелей - колебательной системы, аналогичной ГД. При воздействии на качели периодической внешней силой, происходит медленное нарастание, раскачка, амплитуды колебаний до тех пор, пока мощность внешней силы не сравняется с интенсивностью потери энергии за счет трения. После прекращения действия внешней силы продолжается самопроизвольный затухающий колебательный процесс уже на собственной частоте, присущей данной колебательной системе. Таким образом, имеем два переходных процесса - один в начале периодического воздействия, а другой - в конце.

В начальном переходном процессе инерция качелей, (обусловленная наличием массы), ограничивает амплитуду колебаний. Периодическое силовое воздействие приводит к закачке энергии в движущуюся массу и росту амплитуды (работа внешней силы переходит в кинетическую энергию массы или потенциальную энергию силы тяжести), пока потери на трение не сравняются с работой внешних сил. В процессе периодических колебаний реализуется непрерывный процесс преобразования кинетической энергии в потенциальную и обратно, а также переход работы внешних сил в работу сил трения. В конечном переходном процессе расходуется инерция массы, накопившей кинетическую энергию, вплоть до полного ее перехода в тепло. Таким образом, становится очевидным, что в колебательной системе нет полного соответствия между приложенной внешней силой и характером движения. Виной этому - собственные свойства колебательной системы, имеющие инерциальную природу.

Рис. 1. Свободные колебания подвижной системы головки 20ГДС-1-8 после импульсного воздействия (удара). Измерены как ЭДС звуковой катушки, которая пропорциональна ее скорости. Период колебаний соответствует резонансной частоте, а скорость затухания - добротности.

Описанные выше особенности проявляются всегда, но степень их проявления зависит от конкретных внутренних свойств системы и от характера силового воздействия. При воздействии типа пакет периодических сигналов, рассмотренном выше, и при различного рода импульсных воздействиях переходные явления проявляются наиболее сильно.

Рис. 2. То же, что на предыдущем рисунке, для головки 4А-32, имеющей сильное затухание колебаний (низкую добротность).

Пожалуй, важнейшую роль в характере переходных процессов играют процессы потери кинетической энергии, которые мы обозначим общим термином, трение. Рассмотрим характер переходного процесса при включении постоянной внешней силы (воздействие типа ступенька) в варианте достаточно большой гибкости колебательной системы (способности к значительным перемещениям под действием определенной силы). В начальный момент подвижная масса движется ускоренно, с ускорением, пропорциональным приложенной силе и обратно пропорциональным массе. По мере увеличения скорости возрастает сила торможения, обусловленная трением. Эта сила прямо пропорциональна скорости. При определенной скорости сила торможения трения становится равной внешней силе и подвижная масса продолжает движение с постоянной скоростью, то есть без ускорения. Если подвижная масса представляет собой диффузор ГД, то отсутствие ускорения означает отсутствие звукового излучения. Чем больше трение, тем быстрее заканчивается процесс ускорения диффузора, тем короче переходный процесс излучения звука и меньше скорость движения. При воздействии периодической внешней силы достаточно низкой частоты, мы будем иметь пропорциональность между скоростью диффузора и внешней силой, (а также определенный сдвиг фаз). При этом ускорение диффузора и звуковое давление будут пропорциональны частоте (как производная по времени от скорости), то есть падать с понижением частоты со скоростью 6 децибел (в два раза) на октаву, начиная с некоторой частоты, соответствующей характерным временам переходного процесса.

Что произойдет, если трение будет мало? Казалось бы, масса должна остановиться, когда силы упругости сравняются с внешними силами. Реально так не происходит вследствие инерции массы - она продолжает движение далее до тех пор, пока ее кинетическая энергия не перейдет в энергию упругости. Далее начинается колебательный затухающий процесс возле точки равновесия, пока излишек энергии не перейдет в тепло. Аналогично ведет себя система при любом быстром прекращении внешнего воздействия - текущее состояние системы, энергия, накопленная в скорости и в упругих элементах должна релаксировать, создавая соответствующий переходный процесс затухания.

Можно сделать вывод, что линейная колебательная система, какой является ГД (по крайней мере, в режиме малого сигнала) способна достаточно, точно воспроизводить только узкополосный периодический сигнал. Передача реальных сигналов, с быстрыми процессами нарастания и затухания (так называемая, атака звука музыкальных инструментов, тональный пакет - сигнал вида tone burst, короткие импульсы и фронты), то есть имеющих широкий сплошной спектр, сопровождается дополнительными звуковыми составляющими, обусловленными переходными процессами в самой ГД, причем всегда. Будем называть эти дополнительные составляющие, возникающие при работе головки в поршневом режиме, то есть когда диффузор движется как единое целое - призвук головки. Ситуация еще более усугубляется с возникновением поперечных колебаний поверхности диффузора, всякий раз, когда он утрачивает способность перемещаться, как единое целое (выход за поршневой режим). Эти собственные колебания также являются источником дополнительных составляющих звука. Назовем их - призвук диффузора.

Рис. 3. Верхняя кривая - реакция детектора ускорения (пьезодатчик), приклеенного на диффузоре головки 20ГДС-1-8 в точке соединения с центральным куполом, на импульс тока длительностью 1мс. Нижняя кривая (после импульса) - ЭДС звуковой катушки (скорость). Размер датчика - 0,6 кв. см., вес - 0,13 г.

И, наконец, источником дополнительных составляющих призвука может быть акустическое оформление головки, помещенной в ящик - призвук ящика. Он зависит главным образом от конструкции ящика и, как показывает опыт, может быть очень заметен, особенно в случае маленьких ящиков.

Несколько слов о терминологии. В этом плане, используя термин, призвук, мы вынужденно идем на сознательное нарушение терминологии ГОСТ 16122-87, в котором призвук определяется как еще один тон (или группа тонов), звучащий одновременно с тоном частоты возбуждения. Это, как правило, нелинейное явление, обусловленное особенностями конструкции (или дефектами) ГД. Для составляющих звукового излучения, связанных с переходными процессами, и являющихся линейными, к сожалению, не существует общепринятого специального термина. Говорят о переходном процессе в целом, не выделяя звуковые составляющие. Однако по физической сущности эти составляющие являются призвуками, поскольку они привязаны к собственным частотам акустической системы, не связанным с частотой возбуждающей силы.

Рис. 4. То же, что на предыдущем рисунке, для головки 4А-32. Датчик закреплен вблизи соединения центрального конуса с диффузором. Значительно больший диаметр диффузора и другой тип подвеса существенно влияют на характер колебательного процесса.

Еще раз подчеркнем, что все перечисленные призвуки представляют собой линейные явления, отражающие физическую природу происходящих процессов и не являющиеся искажениями в самом строгом смысле этого слова. И подобно тому, как музыкальный инструмент, возбуждаемый струной или потоком воздуха, благодаря конструкции обретает свой голос, независимо от характера возбуждения, акустическая система, возбуждаемая звуковой катушкой и диффузором также обретает специфическое звучание присущее только ей. Это звучание может нравиться или не нравиться слушателю, но это уже вопрос восприятия. Любители "сочного" или "мягкого" звучания могут отдать предпочтение акустическим системам, весьма далеким от идеала, в смысле точности воспроизведения. (Показателен в этом отношении пример популярности среди многих аудиофилов на постсоветском пространстве использования источника тока управляемого напряжением (ИТУН) в качестве выходного звукового усилителя). Замечу, что зачастую АС высокой верности звучит отвратительно, однако в полном соответствии с таким же исходным сигналом. Система малой верности может звучать намного приятней при том же сигнале, так как смазывает, сглаживает и округляет исходник, подобно тому, как утрата резкости изображения придает необъяснимую прелесть фотоснимку.

Другой вывод - улучшение точности воспроизведения - достижения соответствия между электрическим сигналом на выходе звукового усилителя и звукового давления в точке прослушивания звука - состоит главным образом в уменьшении роли переходных процессов в колебательных системах головки, диффузора и ящика.

Ясно, что колебательные системы с сильным затуханием колебаний (большим трением, носящим название, демпфирование) обладают хорошими (быстрыми) переходными характеристиками и потенциально способны точнее передавать форму электрического сигнала. Однако, упомянутое выше уменьшение величины ускорения диффузора с понижением частоты, делает невозможным воспроизведение достаточно низких частот по энергетическим соображениям - требуется слишком большая мощность на низких частотах для получения линейной АЧХ. Компромисс достигается при добротности колебательной системы близкой к 0,5 (с учетом нулевого выходного сопротивления усилителя). При этом достигается апериодичность (отсутствие собственных колебаний) в переходных процессах и достаточно малый "завал" частотной характеристики по звуковому давлению на резонансной частоте (около 6 дБ). Принято считать, что системы с добротностью больше 0,5 (имеющие собственные колебания) недодемпфированы, а системы с добротностью меньше 0,5 - передемпфированы.

Но такой вариант представляет собой именно компромисс, меньшее из двух зол. Более радикальное решение проблемы позволяет обеспечить ЭМОС, в принципе, при условии ее грамотной организации. Ряд отечественных любительских разработок (см. Литература) носят частный характер не всегда теоретически обоснованный. Промышленные образцы, достойные серьезного внимания, мне также не известны. Основная проблема - отсутствие полноценной теории метода и согласования теории с практической схемой построения и наладки ЭМОС. Данная работа призвана в значительной мере, восполнить данный пробел.

1. Теория метода

1.1 Поршневой диапазон частот. В этом диапазоне подвижная система (ПС) динамической головки ведет себя как единое целое, а ее движение определяется взаимодействием трех сил. Первая - внешняя сила F, заставляющая совершать вынужденные движения,

F = iBl , (1)

где i - ток, протекающий через звуковую катушку (ЗК) головки, B - магнитная индукция в зазоре магнитной системы, l - длина провода в зазоре.

Вторая сила, противодействующая первой, механическая сила трения, являющаяся суммой всех механических сил, (включая акустические), возникающих вследствие скорости подвижной системы и пропорциональная этой скорости. Эта сила равна, R_mx^/ где x^/ - скорость (первая производная перемещения по времени, x^/ = dx/dt), а R_m- коэффициент трения (сопротивления), численно равный силе торможения (в ньютонах) при скорости подвижной системы 1м/с. Предполагается, что этот коэффициент не зависит от скорости, что справедливо при достаточно малых скоростях.

Третья сила, также противодействующая первой - сила упругости, равная произведению коэффициента упругости на перемещение подвижной системы. Коэффициент упругости численно равен силе, возникающей при единичном перемещении подвижной системы, и является величиной, обратной гибкости. Таким образом, эта сила равна x/C_m , где x - перемещение, а C_m - механическая гибкость. Также предполагается, что величина гибкости не зависит от смещения, то есть при любых смещениях одинаковому изменению смещения соответствует одинаковое изменение силы.

Сумма всех трех сил является причиной ускорения, x^//, подвижной системы. (x^// - вторая производная перемещения по времени, x^//= d²x/dt², равная ускорению). Используя второй закон Ньютона, получим

Mx^// = F - x^/R_m - x/C_{m ,} (2)

где M - масса подвижной системы. Это линейное дифференциальное уравнение второго порядка с тремя независимыми параметрами (масса, коэффициент трения и гибкость) полностью описывает динамику подвижной системы ГД во времени под действием внешней силы (в высказанных выше допущениях). Разделив обе части уравнения (2) на массу, получим классическую форму уравнения движения колебательной системы уже с двумя определяющими параметрами (добротность Q_m и круговая резонансная частота f₀):

F/M = x^//+x^/f₀ /Q_m+ x f₀² , (3)

где добротность и резонансная частота (круговая)

Q_m = (M/C_m)^1/2/R_m , f₀= 1/(MC_m)^1/2 . (4)

Эти два параметра определяют частотные и переходные характеристики. В варианте ГД они зависят только от массы, коэффициента трения и гибкости подвижной системы, при условии независимости силы от указанных параметров. Из структуры уравнения (2) следует, что если внешняя сила F окажется зависимой от перемещения, скорости или ускорения подвижной системы, то динамика подвижной системы изменится таким образом, как если бы изменились, соответственно, гибкость, трение и масса подвижной системы, что в свою очередь изменит значения добротности и резонансной частоты. Действительно, прибавим к величине внешней силы F в уравнении (2) составляющие отрицательной обратной связи по перемещению, скорости и ускорению с соответствующими коэффициентами. Получим:

F - xK_x - x^/K_v- x^//K_a = x^//M + x^/R_m+ x/C (5)

или после приведение подобных членов получим

F = x^//(M + K_a) + x^/(R_m + K_v) + x(K_x + 1/C_m) . (6)

Из уравнения (6) следует, что отрицательная обратная связь (ООС) по ускорению эквивалентна увеличению массы (и соответственно повышению добротности и понижению резонансной частоты), ООС по скорости - увеличению трения (снижению добротности), ООС по перемещению - уменьшению гибкости (росту добротности и резонансной частоты). Эти новые значения параметров будем называть эффективными значениями (то есть, действующими), поскольку собственные значения параметров головки всегда остаются неизменными, а именно они определяют, в частности, энергетические характеристики звуковоспроизведения. Как видим, образуется большое поле возможностей (трехмерное пространство возможных сочетаний параметров) для управления характеристиками ГД и, соответственно, характером переходных процессов и АЧХ. Главная проблема - выбор оптимального варианта, который бы обеспечивал действительное улучшение качества звука. Дело в том, что ЭМОС является не средством "улучшения звука" а средством изменения динамических параметров головки в ту или иную сторону, то есть является средством или методом, эффективность применения которого зависит от опыта и умения исполнителя, но главным образом - от ясного понимания сути физических явлений.

Объективным критерием качества или точности звукопередачи может являться мера соответствия между электрическим сигналом и сигналом звукового давления, прежде всего в отношении величины и длительности призвуков. (Данный критерий ничем не отличается от критериев качества при оценке усилителей звуковой частоты). В идеале времена затухания переходных процессов в акустической системе и им соответствующих призвуков должны быть меньше, чем собственные времена затухания переходных процессов в механической системе органа слуха (уха). Кривая чувствительности уха имеет спад в области низких частот, начиная с частоты около 500 Гц, что свидетельствует о низкой добротности этой системы. Порог времени восприятия высоты звукового тона на слух составляет около 10 мс, что также свидетельствует о малом времени собственного переходного процесса. Установлено, что пороговые значения времени слышимости переходных звуковых процессов, за которое интенсивность звука падает в 10 раз, составляют от 1мс для частот меньше 1КГц и до 0,5 мс в более высокочастотной области [1]. Более короткие переходные процессы слухом не воспринимаются. Эти цифры могут являться ориентиром при оценке качества АС в данном отношении. Как можно видеть из графиков рис. 3 и рис. 4, реальные характеристики ГД весьма далеки от этих требований.

Рассмотрим некоторые особенности передачи звукового сигнала в зависимости от параметров колебательной системы, которые следуют из уравнения движения (3). Подчеркнем, что не имеет значения, каким способом получены те или иные значения параметров - при помощи механических, акустических ли методов или ЭМОС - результат будет аналогичен.

С точки зрения изложенной позиции наиболее значимы - переходные характеристики колебательной системы, ее реакция на импульсное или ступенчатое воздействие. Важнейшим в этом отношении является значение добротности, Q. При Q большем 0,5 переходные процессы имеют колебательную составляющую, тем большую, чем выше добротность, с частотой несколько меньшей f₀ и декрементом затухания колебаний пропорциональным 1/ Q. При Q=0,5 колебания исчезают. В этом случае при ступенчатом воздействии длительность переходного процесса составляет около 1/f₀, спектральная ширина плотности звукового излучения равна f₀. Для значений Q меньших 0,5 длительность переходного процесса примерно определяется по формуле (2Q/f₀)ln(1/Q), а спектральная ширина с понижением Q приближается к значению f₀/Q. В целом системам с меньшими значениями добротности присущи более быстрые переходные процессы и более широкий спектр излучаемых сигналов. Однако, как уже говорилось, АЧХ по ускорению (звуковому давлению) падает на резонансной частоте в Q раз. (Можно показать, что максимальное ускорение подвижной системы на резонансной частоте x^//(f₀) = QF/M при воздействии гармонической силы с амплитудой F).

Реальные ГД часто весьма далеки от "идеального" значения добротности Q=0,5, обычно они значительно недодемпфированы даже при наличии нулевого выходного сопротивления усилителя. Особенно высокую добротность имеют низкочастотные головки с мягким подвесом и небольшим диаметром диффузора. Конструкция ГД такого типа возникла с неизбежностью, в связи с необходимостью обеспечить экстремально большую мощность излучения диффузора при малой его площади за счет длинного хода звуковой катушки. Ситуация существенно усугубляется при работе головки на закрытый ящик небольшого объема, когда повышению добротности способствует сжимаемый в ящике воздух. Для увеличения потерь и снижения добротности используются средства акустического оформления самой головки и применение магнитной жидкости в рабочем зазоре. Последнее средство эффективно, только если жидкость не высыхает.

Все наши возможности управления характером излучения ГД определяются нашими возможностями управления силой F, действующей на звуковую катушку, то есть протекающим током, в соответствии с формулой (1). Здесь возможны варианты.

Если усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) является источником тока, управляемым входным напряжением (ИТУН) то есть обладает высоким выходным сопротивлением (точнее, высоким его эффективным значением), то в этом случае внешняя вынуждающая сила F пропорциональна входному сигналу УМЗЧ, в соответствии с формулой (1), а уравнение движения подвижной системы головки соответствует уравнению (2). Это означает, что движение подвижной системы не оказывает никакого влияния на величину внешней силы. Другими словами - какая-либо электромеханическая обратная связь отсутствует. Следовательно, параметры, определяющие движение ПС, будут чисто механические (акустические).

Если усилитель является источником напряжения, то значение тока i в цепи питания звуковой катушки определяется двумя источниками ЭДС - выходным напряжением усилителя, U_ou_t и ЭДС, возникающей при движении звуковой катушки. Эта вторая ЭДС, пропорциональная скорости движения катушки в магнитном поле и действует так, чтобы уменьшить ее скорость, то есть имеет отрицательный знак по отношению к вектору скорости, -x^/Bl. Получим для значения силы:

F = iBl =Bl(U_out - x^/Bl)/(Z_out+ Z_vc) (7)

где Z_out и Z_vc - импеданс усилителя (выходной) и звуковой катушки. Если выходной импеданс усилителя пренебрежимо мал, а сопротивление звуковой катушки преимущественно омическое, то

F = iBl =Bl(U_out - x^/Bl)/R_e= BlU_out /R_e- x^/(Bl)²/R_e (8)

Второй член в соотношении (8) представляет собой силу, пропорциональную скорости ЗК и направленную против скорости. Эта сила есть проявление электромеханической обратной связи по скорости, и носит название, вносимое сопротивление. Общее эффективное сопротивление движению ЗК становится равным сумме механического и вносимого - то есть возрастает. (В головках с сильными магнитами вносимое сопротивление может на порядок превышать механическое). Соответственно уменьшается эффективная добротность ГД (улучшается демпфирование) и убыстряются переходные процессы. По сути, здесь мы имеем дело с вариантом ЭМОС, которая не только повышает демпфирование, но также повышает линейность системы. Действительно, если скажем, ЗК начинает выходить из зазора магнитной системы головки, что приводит к уменьшению величины Bl, то, как следует из формулы (7), противо-ЭДС катушки падает, и ток через катушку возрастает. Как следствие - происходит компенсация этого эффекта (частичная) и повышение линейности.

Наконец, если усилитель охвачен обратной связью по движению ЗК, то, как показано выше (уравнение (6)) возникает возможность изменения всех трех параметров головки. Рассмотрим более детально особенности обратной связи по движению, исходя из соотношения (7) для силы, действующей на катушку. Обратная связь реализуется путем сложения входного сигнала с сигналами от датчика движения с последующим усилением суммарного сигнала в усилителе мощности. Если усилитель мощности есть усилитель напряжения, а датчик движения автономен, то выражение (7) будет иметь вид

F = iBl =Bl (K(U_in - K₁x - K₂x^/ - K₃x^//) - x^/Bl)/(Z_out + Z_vc) (9)

Где K, K₁, K₂, K₃- коэффициент усиления напряжения в усилителе мощности, а также три коэффициента преобразования параметров движения - перемещения, скорости и ускорения в напряжение, соответственно. Из соотношения (9) следует, что коэффициенты обратной связи оказываются частотно зависимы, вследствие частотной зависимости импеданса звуковой катушки. Диапазон индуктивностей звуковых катушек составляет от примерно 0,1 мГн до единиц мГн. На частоте 1 КГц индуктивное сопротивление в самом хорошем случае уже приближается к 1 Ом, а если учесть, что это - реактивное сопротивление, влияющее на сдвиг фаз между током и напряжением, то можно сделать вывод о существенной роли частотно зависимого импеданса звуковой катушки. Устранить зависимость коэффициентов обратной связи от частоты можно, использовав в качестве усилителя мощности ИТУН. В этом случае выходной ток, а соответственно - сила, действующая на ЗК, будет пропорциональна сумме напряжений в скобках числителя соотношения (9). Однако в этом варианте мы получим выходное напряжения ИТУН, зависящее от импеданса звуковой катушки, а также утратим естественное демпфирование, связанное с вносимым сопротивлением (формула (8)). Все демпфирование придется возложить на ЭМОС и в этом случае обратная связь может оказаться чрезмерно глубокой и потому - менее устойчивой. В значительной мере указанную частотную зависимость коэффициентов обратной связи можно уменьшить, если использовать звуковую катушку в качестве датчика скорости и частотно зависимый делитель напряжения в схеме выделения сигнала скорости. (Этот способ подробно рассмотрен ниже).

Для того чтобы осмысленно подойти к осуществлению ЭМОС, необходимо вкратце рассмотреть звуковые явления в акустических системах.

1.2. Влияние акустического оформления. Мы отвлечемся от рассмотрения вопросов, относящихся к собственно, акустике и не связанных с нашей тематикой (дифракция на элементах акустического оформления, интерференция звуковых волн, направленность излучения, эффекты отражений и т. п.). Идеальным, впрочем, далеко не всегда приемлемым, акустическим оформлением ГД является большой экран в открытом пространстве. Закрытый же ящик "удерживает" звук и создает чудовищное по силе звуковое давление внутри ящика, даже при наличии звукопоглощающего наполнителя. Ящик становится источником вторичных звуковых волн.

Силы, действующие на корпус головки, равны и противоположны силам, действующим на звуковую катушку. Они могут достигать нескольких десятков ньютонов. Поэтому корпус ящика вместе с головкой представляет собой самостоятельную колебательную систему. Однако если механически развязать головку от корпуса через упругие элементы так, чтобы резонансная частота системы головка-корпус оказалась глубоко в инфразвуке, то колебания головки не будут раскачивать корпус посредством механических вибраций. Совсем другое дело - звуковое давление внутри ящика. Стенки аккуратно собранного ящика звуковые волны раскачать не в силах (по крайней мере, заметно), но ящик содержит гибкий элемент, специально предназначенный для звукоизвлечения - диффузор головки. Давление звуковых волн, отраженных от стенок ящика (в том числе, многократно), становится источником дополнительной силы, приложенной к диффузору и подвижной системе головки в целом, и таким образом - причиной возникновения составляющих звукового излучения, не связанных напрямую с входным электрическим сигналом, а обязанных внутренним свойствам ящика и подвижной системы ГД. Эти составляющие - призвуки ящика, не могут быть устранены полностью, даже если изготовить стенки ящика из кирпича.

Интенсивность звукового поля в ящике падает с ростом его размера. Поэтому большие ящики предпочтительны во всех отношениях (исключая отношение цены и занимаемой площади). Борьба с призвуком ящика аналогична борьбе с шумами - основные методы - звукопоглощение и звукоизоляция. Звукопоглощение в акустической системе реализуется при помощи заполнения внутреннего пространства ящика звукопоглощающим материалом, а звукоизоляция - при помощи массы стенки, отделяющей источник звука. В нашем случае это - ничтожная масса диффузора головки.

Наличие ЭМОС меняет ситуацию. Появляется возможность активного вмешательства в процесс звукоизоляции. Увеличение массы диффузора (эффективной) приводит к пропорциональному уменьшению ускорения под действием одинаковой силы и соответствующему уменьшению звукового давления призвука ящика. Реально этот эффект проявляется в виде силы, возникающей в ЗК и противоположной внешней силе, приложенной к диффузору. Кроме того, увеличение трения уменьшает амплитуду ускорения (выше рассмотрен механизм компенсации внешней силы силами трения), наконец повышение гибкости приводит к понижению резонансной частоты головки и "выключению" сил упругости, способствующих собственным колебаниям диффузора в звуковой области частот. Таким образом, для уменьшения призвука ящика следует увеличивать эффективные значения параметров массы, коэффициента трения и гибкости.

Несколько слов об акустическом оформлении в виде фазоинвертора. Ящик с фазоинвертором представляет собой автономную колебательную систему, обладающую собственной резонансной частотой и добротностью, в соответствии с акустическими свойствами системы ящик-труба. Он возбуждается движением диффузора и далее функционирует автономно, до полного затухания первоначального возбуждения. Как правило, фазоинвертор имеет высокую добротность и в этом случае он является чистым источником призвука. Он возбуждается практически при любом широкополосном сигнале и благодаря слабой чувствительности уха к высоте звукового тона в низкочастотной области создает впечатление "глубоких низов", впрочем, мало соответствующих исходному сигналу. Ясно, что параметры фазоинвертора не поддаются регулировке с помощью ЭМОС. Единственный вариант достижения приемлемого звучания системы с фазоинвертором - уменьшение его добротности (в идеале до, примерно 0,5), путем заполнения ящика поглотителем звука. Труба фазоинвертора должна быть достаточно большого диаметра, чтобы не возникал "шум ветра" при интенсивном движении воздуха в трубе. В этом случае сохраняются достоинства систем с фазоинвертором - расширение звукового диапазона и подавление собственного резонанса головки, а кроме того, заполнение ящика поглотителем звука увеличивает эффективный объем ящика.

1.3. Собственные колебания диффузора создают призвуки в наиболее значимой области спектра - среднечастотной. Реальная АЧХ акустических систем с ГД в этой области столь испещрена резонансами и имеет столь безобразный вид, что принято измерять усредненную АЧХ с помощью третьоктавных фильтров. Тем не менее, эти резонансы отражают реальную и весьма неприглядную картину физических явлений в процессе звукоизвлечения (рис. 3, рис. 4). Рассмотрим их более подробно.

Если на звуковую катушку действует сила с достаточно коротким фронтом нарастания, то катушка смещается и создает деформацию центральной части диффузора. При этом оставшаяся часть диффузора остается неподвижной, а энергия движения катушки "закачивается" в энергию упругой деформации. Разгибаясь, диффузор "продвигает" деформацию к периферии - образуется поперечная волна изгиба, идущая от центра. Дойдя до края, волна испытывает отражение и движется обратно к центру. Характер отражения определяется конструкцией диффузора. Диффузор с мягким и легким подвесом грубо можно считать диффузором со свободными краями. Отражение от свободного края происходит в фазе с прямой волной. Отраженная волна доходит до звуковой катушки, опять отражается в фазе от центра и процесс продолжается пока не израсходуется вся энергия начального импульса. Потеря энергии происходит при трении в процессе сгибания-разгибания материала диффузора, за счет излучения звуковых волн, а также за счет торможения движения звуковой катушки в магнитном зазоре (при малом выходном сопротивлении усилителя).

Если диффузор неподвижно закреплен по периметру, то волна отражается от его края в противофазе, а в остальном процесс аналогичен. При определенных частотах периодического возбуждающего сигнала возникают стоячие волны в форме колебаний диффузора. Для диффузора со свободным краем основная частота и основной тон стоячей волны возникает при условии, что время прохождения волны от центра и до края равно четверти периода возбуждающего сигнала. Для диффузора с неподвижным краем аналогичное условие возникает при половине периода (на частоте в два раза большей, чем в первом случае). На частоте основного тона и обертонов происходит раскачка колебаний до тех пор, пока мощность вынуждающей силы не сравняется с мощностью потерь, как в обычной колебательной системе.

Диффузоры с закрепленным краем обычно имеют по периметру гофр, обеспечивающий возможность смещений. Наличие этого гофра несколько затрудняет условия отражения волны от края (вследствие сложения синфазных и противофазных составляющих отражения), поэтому диффузоры с гофром имеют относительно меньшие амплитуды раскачки.

Диффузоры со свободным краем в большей степени способны возбуждать круговые волны, когда фронт волны перпендикулярен образующей конуса (как в колоколе или звучащем бокале). Такие волны гасятся только внутренним трением в материале диффузора и звуковым излучением. Круговые волны на определенных частотах также образуют стоячие волны и соответствующие колебания. При этом узлы колебаний ориентированы по радиусу диффузора, а амплитуда колебаний выше на его периферии. (Фигуры узлов стоячих волн, так называемые, фигуры Хладни, можно наблюдать, насыпав слой тончайшего песка на поверхность звучащего диффузора). По-видимому, диффузоры овальной формы с жестким подвесом менее всего склонны к образованию круговых волн.

Рис. 5. Круговые колебания диффузора головки 20ГДС-1-8. Измерения проводились в условиях опыта рис. 3, но пьезодатчик приклеен вблизи наружного края диффузора.

Рис.6. Головка 4А-32 в условиях опыта рис. 5 (датчик на краю диффузора). Эти колебания нельзя интерпретировать как круговые, так как они коррелируют с колебаниями центра диффузора, рис. 4.

При импульсном воздействии на звуковую катушку (воздействии со сплошным спектром) возбуждаются в той или иной мере все обертоны присущие диффузору. Колеблющийся диффузор обладает особенностью, характерной для всех тел сложной формы - негармоничностью обертонов. То есть высшие составляющие колебаний не образуют звукоряда с отношениями частот, кратными основной частоте, как это имеет место в струне или трубе. Поэтому характер призвука диффузора есть качество присущее именно данному типу ГД, поскольку он зависит от формы диффузора и конструктивных особенностей колебательной системы.

Чтобы создать волну следует преодолеть сопротивление материала диффузора - изогнуть материал и сообщить скорость массе участвующей в движении - это, так называемое, волновое сопротивление. Энергия, затраченная на преодоление волнового сопротивления "закачивается" в энергию упругости изогнутого материала и кинетическую энергию движения волны. Теперь представим себе, что на пути движения волны расположен демпфер, создающий сопротивление в точности равное волновому, но использующий механизм трения. В этом случае волна передаст энергию демпферу целиком, без отражения, поскольку вся энергия волны уходит в тепло и отражаться нечему. Если же сопротивление демпфера будет отличаться от волнового в ту или иную сторону, то произойдет частичное отражение волны (в фазе или противофазе).

При использовании ЭМОС таким естественным демпфером является звуковая катушка в магнитном поле. Можно утверждать, что существуют такие параметры ЭМОС, при которых произойдет полное поглощение волны изгиба диффузора, идущей от периферии к центру. Тем самым призвук диффузора будет подавлен и сократится по времени в десятки раз. Но главное - не будет происходить закачка энергии в стоячие волны на резонансных частотах диффузора. Основным средством повышения трения ЗК в магнитной системе является отрицательная обратная связь по скорости.

2. Практические аспекты.

2.1. Датчики движения. Инструментальной основой ЭМОС является датчик (детектор) движения (смещения, скорости или ускорения) звуковой катушки. Еще раз подчеркнем необходимость соблюдения методологического принципа: поскольку объектом управления в механической системе с ЭМОС является звуковая катушка, то датчик движения должен отражать движение непосредственно звуковой катушки, а не, скажем, диффузора, обладающего дополнительным собственным движением или воздуха, создающего звуковое давление. В противном случае обратная связь может создавать дополнительные явления, не поддающиеся контролю. Исключением может являться ЭМОС в низкочастотной области, где имеет место поршневой режим, а возможные фазовые или временны?е задержки несущественны. От качества сигнала датчика зависит качество работы ЭМОС. Основные требования к датчику следующие: отсутствие собственных резонансных явлений и задержек сигнала во времени (по крайней мере, в области частот, где предполагается работа ЭМОС), достаточно большая амплитуда сигнала, чтобы обеспечить хорошее соотношение сигнала к шуму во всем рабочем диапазоне частот, приемлемая температурная стабильность. Измерение одного параметра движения (при условии его необходимой точности и достоверности) обеспечивает получение сигналов всех трех необходимых величин (смещения, скорости и ускорения) при помощи схем интегрирования и (или) дифференцирования сигнала датчика.

Пьезоэлектрические датчики ускорения, одни из наиболее популярных среди любителей-конструкторов, требуют определенной конструктивной доработки головки. В идеале они должны представлять собой единое целое со звуковой катушкой (точнее, с ее каркасом). В реальных конструкциях необходимо учитывать возможность появления значительных механических усилий и собственных резонансов. Скажем, современные мощные динамики, имеющие более чем дюймовые смещения катушки при киловаттных мощностях и уровнях звука в 140 дБ, работают при ускорениях ПС в сотни единиц g. При этом десятиграммовая конструкция может испытывать более чем килограммовые усилия. В таких вариантах целесообразно использовать миниатюрные пластинки пьезокерамики, приклеенные непосредственно около гильзы звуковой катушки. При разработке схемы усиления сигнала с пьезодатчика, как правило, обладающего большой емкостью, необходимо обеспечить достаточно малую постоянную времени (RC) на входе предусилителя (намного меньшую четверти периода входного сигнала на верхней частоте диапазона действия ЭМОС). Для этой цели можно использовать усилители тока с малым (близким к нулю) входным сопротивлением. Существенной проблемой пьезодатчиков является сложность измерения малых ускорений в низкочастотной области звукового спектра (порядка 0,1g) на фоне помех и наводок.

В оптических датчиках смещения неподвижный источник света освещает колеблющийся диффузор. При этом неподвижный фотоприемник регистрирует изменения света, отраженного от диффузора. Для получения статистически достоверного сигнала на достаточно высоких частотах необходимы интенсивные источники света и чувствительные фотоприемники. В противном случае сигнал будет сопровождаться стохастическим шумом, особенно после двойного дифференцирования.

Датчиком смещения может являться измеритель емкости между неподвижным и колеблющимся электродами. Для выделения сигнала перемещений можно использовать высокую несущую частоту с последующим выделением огибающей. Оба последних метода измеряют не движение звуковой катушки, а движение определенных частей диффузора, которое может содержать собственные колебательные составляющие.

Традиционный датчик скорости - сама звуковая катушка, генерирующая при своем движении в магнитном поле сигнал ЭДС. Основные достоинства - сильный, надежный сигнал, пропорциональность скорости звуковой катушки (при умеренных смещениях), отсутствие запаздывания, отпадает необходимость каких-либо конструктивных доработок. Сигнал ЭДС выделяется при помощи мостовой схемы. Недостатки - нелинейность сигнала при выходе звуковой катушки из зоны магнитного поля (при больших смещениях), некоторые проблемы балансировки моста в достаточно большом диапазоне частот, зависимость балансировки моста от температуры ЗК. Впрочем, последний фактор не является большой проблемой, так как он проявляется в подмешивании выходного сигнала усилителя в выделенный сигнал, что всего лишь создает дополнительную и не очень существенную цепь обратной связи.

Еще один вариант, требующий конструктивной переделки - дополнительная катушка - датчик скорости, намотанная тонким проводом поверх рабочей катушки. Требования к дополнительной катушке - она должна быть не короче по размеру, чем рабочая ЗК (может быть длиннее, что повысит линейность сигнала), а плотность намотки может быть меньшей (для уменьшения индуктивной связи с ЗК), но очень равномерной.

2.2. Анализ мостовой схемы. Мостовая схема выделения сигнала ЭДС катушки, движущейся в магнитном поле, (рис. 7) представляет собой широко распространенный датчик скорости движения ЗК (см. Литература). Она состоит из двух делителей сигнала, поступающего из усилителя мощности, один из которых содержит звуковую катушку головки, а другой - чисто резистивный. Коэффициент деления m одинаков для резистивных и индуктивных компонентов цепи. Для анализа мостовой схемы составим уравнения для тока и напряжений в цепях моста (обозначения очевидны из рисунка) в варианте, когда внутреннее сопротивление усилителя мощности равно нулю: сумма ЭДС равна сумме падений напряжений.

U_out - x^/Bl = iR_e(1 + m)+L_e(1 + m)di/dt

V = mR_ei + mL_e di/dt

V₀= mU_out /(1 + m).

Эти три уравнения образуют систему, из которой легко найти:

x^/Bl = (V₀ - V)(1+ m)/m (10)

Если внутреннее сопротивление усилителя мощности равно нулю, то дифференциальная разность напряжений моста схемы рис. 1 пропорциональна скорости звуковой катушки при неизменной величине Bl (достаточно малых смещениях ЗК). Это справедливо только в том случае, если коэффициент делителя, m, одинаков для резистивной и для индуктивной составляющей импеданса. Соотношение (10) получено строго, но без учета проходной межвитковой емкости, включенной параллельно головке, хотя учет этой емкости также не представляет труда. Опыт показывает, что влияние проходной емкости головки не сказывается заметным образом на работе схемы. (Величины этих емкостей для головок 20ГДС-1-8 и 4А-32, измеренные по частотам собственного LC-резонанса, соответственно 0,9 МГц и 0,6МГц, равны 0,41 нФ и 0,93 нФ).

Индуктивность головки с трудом поддается измерению прямыми методами вследствие наличия ЭДС звуковой катушки при воздействии на нее переменным сигналом в процессе измерений. Она может быть найдена из анализа графика зависимости импеданса головки от частоты следующим образом. Измеряется модуль импеданса головки, Z_vc, для ряда частот в достаточно широком диапазоне в области значительно выше резонансной частоты. Для этого головка подключается к звуковому генератору через резистор с большим сопротивлением (режим генератора тока) и напряжение, измеренное на головке, делится на значение тока, определяемое через падение напряжения на резисторе. Для каждого значения частоты вычисляется величина Z=(Z_vc²-R_e²)^1/2, где R_e - омическое сопротивление головки, и строится график зависимости этой величины от круговой частоты, f, в линейном масштабе. Этот график должен асимптотически приближаться к прямой, проходящей через начало координат, которая соответствует зависимости индуктивного сопротивления от частоты, fL_e.

Для более точного определения L_e, можно воспользоваться тем фактом, что вдали от резонанса ЭДС катушки обратно пропорциональна частоте, то есть справедливо соотношение Z= fL_e+A/f, где А - некоторая константа. Выбрав две точки на графике с частотами f1 и f2 и составив соответствующую систему уравнений, можно найти:

A=(Z1f1-Z2f2)/(f2/f1-f1/f2).

Эта методика определения индуктивности хорошо работает в варианте головок, имеющих медный колпачек на керне, который экранирует проникновение в керн магнитного поля, создаваемого звуковой катушкой (за счет вихревых токов, возникающих в колпачке и создающих противоположно направленное поле). В противном случае индуктивность оказывается частотнозависимой, в соответствии с толщиной скин-слоя в материале керна, падающей с ростом частоты. К счастью, толщина скин-слоя в ферромагнетиках уменьшается до десятой доли миллиметра уже на частотах в несколько сотен герц. Поэтому на средних частотах индуктивность катушки меняется уже слабо и поддается определению. Тем не менее, следует иметь в виду, что на более низких частотах эта индуктивность может быть значительно больше.

Как следует из формулы (10), сигнал с моста пропорционален не только скорости звуковой катушки, но также произведению Bl - величине аналогичной потокосцеплению в электротехнике. При больших перемещениях ЗК величина Bl может существенно зависеть от ее положения, а значит, при одинаковом токе через катушку действующая сила также будет зависеть от положения. Обратная связь по скорости полностью эквивалентна обратной связи по величине Bl, то есть падение Bl будет сопровождаться соответствующим ростом тока через ЗК, компенсируя неоднородность "потокосцепления" и повышая линейность системы. (Этот эффект объяснялся выше). В данном случае проявляются общие свойства ООС, улучшать качество выходного параметра в том случае, если сигнал ОС отражает внутренние свойства системы, как это имеет место в рассмотренном варианте: улучшение качества движения звуковой катушки производится на основе показателей движения этой же катушки.

2.3. Фазы движений. Характер действия ЭМОС зависит от соотношения фаз между силой, действующей на звуковую катушку и сигналом обратной связи. Очевидно, что ЭМОС наиболее эффективна при сдвиге фаз равном нулю и перестает действовать при сдвиге фаз равном pi/2. Наконец, если сдвиг фаз становится больше pi/2, обратная связь меняет знак (из отрицательной становится положительной и наоборот) со всеми вытекающими последствиями. Фазовые отношения между силой, смещением, скоростью и ускорением звуковой катушки зависят от собственных значений параметров механической системы головки и могут быть определены в общем виде из решений уравнений движения (2) или (3) при синусоидальном воздействии типа F=F₀sinft. Эти же отношения определяют области частот, в которых тот или иной вид обратной связи преобладает. (Звуковая катушка, в отличие от диффузора не обладает собственными движениями, поэтому указанные уравнения справедливы для достаточно широкого диапазона частот). Из этих решений можно найти следующее.

На резонансной частоте f₀ сила находится в фазе со скоростью x^/=F₀sinf₀t/R_m, а величина скорости зависит только от силы и коэффициента трения R_m. Поэтому в области резонанса наиболее эффективно действует ЭМОС по скорости. Ускорение и смещение сдвинуты по фазе на 90® (с опережением и отставанием): x^//=f₀F₀sin(f₀t+pi/2)/R_m , x=F₀sin(f₀t- pi/2)/(R_m f₀)_.

При уменьшении частоты в области ниже резонанса, смещение, скорость и ускорение асимптотически стремятся к следующим значениям: x=C_mF₀sinft, x^/=fC_mF₀sin(ft+pi/2), x^/^/=f²C_mF₀sin(ft+pi). Смещение становится синфазным с силой и определяется гибкостью. Положительная обратная связь по смещению приводит к "раскачке" колебаний на сверхнизких частотах (вдали от резонанса) и к понижению эффективной резонансной частоты. Обратная связь по скорости практически выключается в этой области частот. Ускорение становится противофазным силе и при наличии достаточно глубокой ООС по ускорению могут возникнуть условия для возбуждения автогенерации.

На частотах много выше резонансной - параметры движения асимптотически приближаются к следующим значениям: x=F₀sin(ft-pi)/(Mf²), x^/=F₀sin(ft-pi/2)/(Mf), x^/^/=F₀sinft/M. Определяющим параметром обратной связи становится ускорение, синфазное с действующей силой. Скорость и особенно смещение быстро "выходят из игры" с ростом частоты. Увеличение эффективного значения массы за счет отрицательной обратной связи по ускорению приводит к стабилизации движения подвижной системы, так как оно оказывается независящим от собственной массы ПС, гибкости, трения, а также от возмущающих воздействий со стороны колеблющегося диффузора. Вместе с тем, на более высоких частотах качественное выделение сигнала ускорения может быть затруднительным, поэтому при нарушении фазовых отношений сигналов ЭМОС, целесообразно ограничить частотный диапазон ее действия.

Таким образом, ЭМОС по-разному действует в различных областях частот. Весь диапазон можно условно разделить на три части, в первой из которых, низкочастотной, в основном действует обратная связь по перемещению, во второй - в окрестности резонанса - по скорости и, наконец, в высокочастотной - по ускорению. Диапазон действия ЭМОС по частоте ограничен сверху возможностями выделения сигнала ускорения, прежде всего в отношении его синфазности с сигналом тока через ГД (вынуждающей силы).

Сигналы датчика используются для формирования трех сигналов обратной связи (сигналов ЭМОС), соответствующих параметрам движения ЗК. Качество этих сигналов определяет эффективность ЭМОС. Желательно проверять фазовые отношения между током через звуковую катушку, строго пропорциональным действующей силе, и сигналами ЭМОС, так как фазовые искажения этих сигналов могут привести к неадекватной работе схемы или самовозбуждению. Сигнал тока можно снять с активного сопротивления, включенного последовательно с головкой, например с mR_e в схеме рис. 7.

2.4. Общая схема. Итак для реализации ЭМОС в полном диапазоне рабочих частот головки, петлю обратной связи следует строить в виде трех параллельных цепей, соответствующих смещению, скорости и ускорению ПС, сигналы которых поступают на схему суммирования. Входной сигнал также может поступать в эту точку. Каждая цепь имеет независимый регулятор уровня, а нужная фаза сигнала получается при помощи инвертора. На схеме рис. 7 представлен вариант использования звуковой катушки и мостовой схемы в качестве датчика скорости. Сигнал, пропорциональный скорости ЗК снимается с дифференциального усилителя DA, все резисторы которого, обозначенные R, имеют одинаковое значение. Сигналы ускорения и перемещения получаются при помощи схем дифференцирования и интегрирования сигнала скорости, соответственно. Схема обеспечивает отрицательную обратную связь по скорости и по ускорению, а также положительную обратную связь по смещению.

0x01 graphic

Рис. 7. Схема включения ГД с цепями ЭМОС и мостовой схемой выделения сигнала скорости звуковой катушки.

Постоянные времени (RC) этих схем выбираются исходя из требуемого диапазона частот, где действует ЭМОС. Постоянная времени R2C2 определяет частоту полюса АЧХ схемы интегрирования, ниже которого по частоте она работает как простой усилитель с коэффициентом усиления -R2/R4. Аналогично, R6C4 определяет частоту полюса схемы дифференцирования, выше которой он становится усилителем с коэффициентом усиления -R5/R6. Кроме того, постоянные времени R1C1 и R3С3 в схеме инвертирования определяют общий частотный диапазон действия ЭМОС по ускорению. Если усилитель мощности (МА) представляет собой инвертор с виртуальным нулем на входе, то он может выполнять функции сумматора-инвертора (S/INV), который в этом варианте схемы оказывается излишним.

Головка и усилитель, охваченный ЭМОС, представляют собой самостоятельную систему - назовем ее активная динамическая головка (активная ГД), обладающую набором свойств, зависящих от настройки цепей обратной связи. Активную головку можно рассматривать как обычную ГД, но обладающую новыми значениями акустических параметров (мы их назвали, эффективными). Функционирование этой системы в условиях акустического оформления не будет отличаться от такового для обычной головки с теми же значениями акустических параметров. Поэтому эффективные параметры можно использовать при расчетах акустического оформления, так же, как в варианте обычной головки.

Основное преимущество активной головки - возможность управления акустическими параметрами в довольно широких пределах при сохранении энергетических показателей, зависящих от электромеханических параметров самой головки.

3. Методика реализации ЭМОС

3.1. Общие положения. Сигналы обратной связи могут регулироваться в широких пределах. В этих же пределах будет изменяться результат, причем не всегда в лучшую сторону. Для построения полноценной ЭМОС необходимо иметь определенные критерии оценки полученного результата. Будем учитывать следующие основные моменты. Во-первых, следует использовать все три типа обратной связи (по смещению, скорости и ускорению) одновременно. Во-вторых, объектом контроля (управления) должно быть движение звуковой катушки, а не движение диффузора (или его частей), которое, вообще говоря, обладает известной самостоятельностью и не поддается управлению. И, наконец, в-третьих, цель ЭМОС, состоит в улучшении (коррекции) переходных характеристик излучения головки с точки зрения их длительности и гладкости (отсутствия выбросов и колебаний). Отсюда следует, что изучать и настраивать ЭМОС нужно при помощи импульсных сигналов, имеющих широкий сплошной спектр частот.

Ниже изложена пошаговая методика настройки ЭМОС. В схеме (Рис. 7) использовались следующие номиналы пассивных элементов: R=18,7 кОм - прецизионные резисторы (4 штуки), R1, R3, R4, а также все резисторы, соединенные со входом сумматора-инвертора - по 20кОм, R2=120кОм, R5=360кОм, R6=5кОм, переменные резисторы - любые от 10кОм до 22 кОм, С1=33пФ, С2= 0,47 мкФ, С3=0,1мкФ, С4=1,6нФ. Активные элементы - операционные усилители 140УД11 с элементами коррекции: конденсатор около 1пФ между ножками 1 и 8 и небольшая емкость параллельно резистору обратной связи для снятия возбуждения. (Следует иметь в виду, что первая ножка в этой микросхеме расположена не напротив ключа, а после). В интеграторе может быть использована практически любая микросхема ОУ. В качестве главного усилителя (МА) был применен усилитель с идеальными переходными характеристиками - Эстония УМ-010. Кроме того, использовался генератор прямоугольных импульсов с короткими фронтами, Г5-56, и осциллографическая приставка Instrustar ISDS205A.

Частота полюса интегратора, около 3 Гц, (определяется произведением R2С2) выбрана с таким расчетом, чтобы не возникала положительная обратная связь по скорости в диапазоне частот, ниже полюса интегратора, практически для любых головок. Ограничение полосы действия обратной связи по ускорению величиной 80 Гц (определяется произведением R3С3) связано с тем, что сдвиг фаз между ускорением и вынуждающей силой с понижением частоты стремится к 180 градусов (на резонансной частоте это 90 градусов). Поэтому данный параметр схемы целесообразно подстраивать для конкретной головки.

Одна и та же схема применялась для двух головок, существенно различающихся по конструкции - широкополосной 4А-32 и среднечастотной, 20ГДС-1-8 (резонансные частоты, соответственно 44 Гц и 125 Гц). Различалась только мостовая схема.

3.2. Настройка моста. Если удается достаточно точно измерить индуктивность звуковой катушки головки, то дальнейшее несложно. Выбирается величина m исходя из величины коэффициента усиления главного усилителя, в моем случае - около 20. Следовательно, m=1/20. Целесообразно конструктивно совместить резистор mR_e и индуктивность mL_e в одном элементе. Для этого можно изготовить маленькую катушку из медной проволоки индуктивности омическое сопротивление и индуктивность которой, равны соответственно, mR_e и mL_e. (Например, для головки 4А-32 (R_e =12,4 Ом, L_e = 101мкГн) я использовал проволоку диаметром 0,16 мм, такую же, как на звуковой катушке, длиной 90 см, намотанную в один слой на советский двухватный резистор ОМЛТ. Получилось почти точное попадание. Небольшое расхождение я компенсировал несколькими витками толстого провода. В варианте головки 20ГДС1-8 (R_e =6,4 Ом, L_e = 0,23мГн) применялся более толстый провод 0,4 мм и дополнительно один виток толстым проводом на ферритовом кольце). Применение меди целесообразно с точки зрения температурной компенсации делителя моста. Если требуется измерять ток через головку, то необходимо иметь чисто резистивный компонент моста, подключенный к "земле".

Балансировку моста следует производить с помощью переменного резистора в резистивном плече моста. Окончательная балансировка производится по форме сигнала скорости (выход дифференциального усилителя DA на схеме Рис.7) при воздействии прямоугольного сигнала напряжения умеренной величины с выхода усилителя МА так, чтобы этот сигнал не проявлялся в дифференциальном сигнале.

Результирующая осциллограмма показана на Рис. 8. (Естественно, ЭМОС при этом отсутствует, все переменные резисторы схемы Рис. 7 выведены в нулевое положение). Выбросы на фронтах импульса обусловлены главным образом влиянием паразитных емкостей. При желании, их можно уменьшить, подобрав компенсирующую емкость из точки Vо по схеме на нуль.

Рис.8. Скорость звуковой катушки головки 4А-32 (верхняя кривая) при воздействии импульса напряжения, длительностью 10 мс (нижняя кривая).

Форма сигнала скорости ЗК Рис. 8 является прекрасной иллюстрацией закономерностей поведения подвижной системы головки, изложенных во Введении. На начальном этапе воздействия постоянного напряжения катушка разгоняется с почти постоянным ускорением. (Ускорение равно тангенсу угла наклона касательной к кривой скорости). С ростом скорости начинают проявляться две силы - сила трения пропорциональная скорости и сила упругости пропорциональная смещению. В результате ускорение прекращается (скорость достигает максимума), а затем начинается замедление (падение скорости) под действием все возрастающих сил упругости. Если бы "столик" импульса длился достаточно долго, то скорость упала бы до нуля и система пришла бы в новое состояние равновесия электромагнитной силы и силы упругости. Задний фронт импульса напряжения эквивалентен воздействию отрицательного импульса той же амплитуды и неограниченной длительности. Поэтому задний фронт импульса скорости формируется аналогично переднему. Форма импульса скорости целиком определяется двумя обобщенными параметрами головки - резонансной частотой и добротностью. Неравномерность формы, видимая как "шероховатость" сигнала, связана с колебательными процессами, происходящими в диффузоре и других элементах подвижной системы после воздействия короткого фронта импульса.

На Рис. 9 показана аналогичная форма сигнала скорости для головки 20ГДС-1-8. Более быстрое, чем в предыдущем случае возвращение системы в состояние равновесия связано с более высокой резонансной частотой (125 Гц против 44 Гц у 4А-32) и более высокой добротностью (слабостью сил торможения). Обращает на себя внимание выброс в процессе прихода в равновесное состояние - подвижная система явно недодемпфирована. Форма процесса сильно напоминает гармоническое колебание.

Рис.9. Скорость звуковой катушки головки 20ГДС-1-8 (верхняя кривая) при воздействии импульса напряжения, длительностью 10 мс (нижняя кривая).

3.3. Обратная связь по скорости. Отрицательная обратная связь по скорости увеличивает трение в подвижной системе головки, тем самым создавая два эффекта. С одной стороны, уменьшается добротность, и убыстряются переходные процессы, с другой - возникает возможность поглощения волн изгиба диффузора, идущих от периферии к центру. Глубина обратной связи по скорости регулируется при помощи

подстроечного резистора, подключенного к выходу дифференциального усилителя DA. Оптимальным вариантом с точки зрения сокращения времени переходных процессов можно считать такой, когда фронты импульса скорости становятся максимально короткими при условии сохранении приемлемой гладкости переходной характеристики, рис. 10.

Сравнение рисунков 8 и 10 демонстрирует механизм действия обратной связи по скорости. Начальное ускорение (угол наклона графика) одинаково в обоих случаях, поскольку оно определяется неизменной массой подвижной системы головки. Укорочение переходного процесса происходит за счет "обрезания" вершины импульса скорости (ему соответствует провал на импульсе напряжения) и замедления скорости прихода в равновесное состояние (ему соответствует подъем на "столике" импульса напряжения).

Рис. 10. Действие ЭМОС по скорости для головки 4А-32 в условиях опыта рис. 7. Верхняя кривая - скорость звуковой катушки, нижняя - выход усилителя мощности.

Поскольку излучению звука соответствует ускорение диффузора, более информативным является наблюдение импульса ускорения с выхода дифференцирующего усилителя после инвертора (INV). На рис. 11 и рис.12 приведены осциллограммы ускорения, соответствующие осциллограммам скорости, рис. 8 и рис. 10.

Рис.11. Ускорение звуковой катушки головки 4А-32 - верхняя кривая и выходной импульс усилителя мощности - нижняя кривая (без ЭМОС).

Рис. 12. То же, что на рис.10 в варианте оптимальной коррекции ОС по скорости.

Сравнение формы импульса ускорения рис. 11 и рис. 12 демонстрирует характер отличий, возникающих при введении ООС по скорости. Во-первых, задний фронт импульса ускорения становится более крутым. Во-вторых, уровень сигнала после окончания импульса становится гораздо ближе к нулевому - тому, что был до начала импульса (примерно в два раза). Наконец, слегка уменьшилась амплитуда колебаний, что свидетельствует о некотором подавлении колебаний диффузора, впрочем, незначительном. (Раздвоенность вершины импульса связана с влиянием дополнительного центрального конуса головки 4А-32). То есть одна из наших целей - подавление колебаний диффузора не была достигнута.

Рис. 13. То же что рис. 11, рис.12, но с ЭМОС по скорости в варианте перекоррекции.

Рис 14. То же что рисунки 11, 12 и 13 в варианте еще большей глубины ООС по скорости.

Тем не менее, сравнение колебательных процессов рис. 4 и рис.11 показывает, что торможение звуковой катушки за счет тока противо-ЭДС при нулевом выходном сопротивлении усилителя уже является существенным фактором подавления колебаний диффузора. Следовательно, механизм подавления работает, но для полного подавления следует вводить более глубокую обратную связь по скорости. На рис.13 и рис. 14 показаны осциллограммы ускорения при более глубокой обратной связи, которые демонстрируют принципиальную возможность подавления колебаний диффузора. Но для данной головки это сопровождается ухудшением переходных характеристик, хотя в варианте рис.13 она все же короче, чем без ЭМОС. Следует отметить, что углубление ООС по скорости уменьшает "хвост" ускорения, то есть после импульса оно практически сразу приходит в нуль.

Рис. 15. Ускорение звуковой катушки головки 20ГДС-1-8 (верхняя кривая) и выходной импульс усилителя мощности без ЭМОС.

Рис. 16. То же, что на рис. 15, но с ООС по скорости в варианте некоторой перекоррекции.

Данный метод подавления колебаний диффузора был испытан на нескольких головках. Рис. 15 и Рис. 16 демонстрируют его действие для головки 20ГДС-1-8. Во всех случаях подавление колебаний происходило при глубине ООС по скорости большей, чем это требовалось для оптимальной коррекции (с гладкой переходной характеристикой). Но поскольку волновое сопротивление равно отношению поперечной силы, возникающей в материале диффузора к поперечной колебательной скорости, то не подлежит сомнению возможность подавления колебаний при помощи ЭМОС (или даже при помощи нулевого выходного сопротивления усилителя мощности) путем подбора соответствующих свойств материала и конструкции диффузора.

3.4. Обратная связь по смещению. Из уравнений (5) и (6) следует, что положительная обратная связь (ПОС) по смещению приводит к уменьшению эффективной жесткости (увеличению эффективной гибкости), причем ее можно уменьшать неограниченно, вплоть до нуля. Нулевая жесткость означает бесконечную гибкость, то есть в нашем случае - движение диффузора с постоянной скоростью под действием постоянной силы. Это означает, что введение ПОС по смещению (регулируется подстроечным резистором с выхода INT) должно поднимать выходной сигнал усилителя мощности на "столике", противодействуя спаду скорости. Естественно чрезмерное уменьшение жесткости с неизбежностью приведет к потере устойчивости, что и определяет реально достижимый уровень ПОС. Результат показан на осциллограммах рис. 17 в более широком временном масштабе.

Спад напряжения с выхода интегратора (рис. 17) определяется постоянной времени C2R2 и соответствует частоте около 3 Гц. Дальнейшее увеличение ПОС (увеличение эффективной гибкости) приводит к возникновению колебаний на инфразвуковых частотах. Оптимальная настройка ПОС по смещению состоит в обеспечении гладкости переходного процесса, то есть без колебаний. При этом эффективная резонансная частота должна понизиться как минимум настолько, чтобы компенсировать спад АЧХ усилителя мощности, обусловленный введением ООС по скорости (снижением добротности).

Введение ПОС по смещению и понижение эффективной резонансной частоты сопровождается подъемом АЧХ выходного усилителя в области ниже собственной резонансной частоты головки. Это может приводить к перегрузке головки на низких частотах при работе с реальным сигналом. Если головка не имеет большого запаса по мощности, следует соответственно ограничить снизу частотный диапазон сигнала, поступающего на головку.

3.5. Обратная связь по ускорению. Ускорение звуковой катушки совпадает по фазе с действующей силой на частотах значительно больших резонансной. На резонансной частоте

Рис. 17. В условиях опыта рис. 10 введена положительная обратная связь по смещению. Верхний график - сигнал интегратора (INT), нижний - сигнал усилителя мощности.

разность фаз составляет 90 градусов и далее с понижением частоты стремится к 180. Таким образом, ООС по ускорению превращается в ПОС на низких частотах. Поэтому ООС по ускорению следует ограничить цепочкой R3C3 на входе в инвертор (INV), с которого снимается сигнал ООС по ускорению. С другой стороны, для получения хорошего эффекта на высоких частотах требуется тщательная балансировка моста, возможно с использованием подстроечных конденсаторов. Необходимо добиться, чтобы сигнал ускорения с выхода INV совпадал по фазе с сигналом тока в цепи головки.

Рис. 18. Реакция на удар по диффузору головки 20ГДС-1-8 в точке соединения диффузора с центральным куполом. Верхняя кривая - ускорение с выхода INV, нижняя - выход усилителя мощности. ООС по ускорению.

Механизм действия ООС по ускорению состоит в том, что схема сопротивляется всякому изменению скорости независимо от его природы, изменяя соответствующим образом выходное напряжение усилителя мощности. Чисто формально это можно интерпретировать как увеличение массы подвижной системы. Увеличенная масса (эффективная масса) менее склонна к изменению скорости. Поэтому при любом воздействии на диффузор, вызывающем движение звуковой катушки, немедленно возникает сила, противодействующая этому движению.

Рис. 19. В условиях опыта рис.11 введена ООС по ускорению.

На рис. 18 показана реакция усилителя мощности, охваченного ООС по ускорению на удар по диффузору. Видно, что усилитель в точности отрабатывает сигнал ускорения (что, впрочем, очевидно из механизма работы схемы). На рис. 19 показана форма импульса ускорения при подаче на вход усилителя прямоугольного сигнала. По сравнению с вариантом без ЭМОС, рис. 11, наблюдается падение амплитуды, обострение фронтов, укорочение импульса ускорения, более быстрый выход в нуль и некоторая попытка подавить колебательный процесс. Не столь очевидное визуально действие ООС по ускорению, тем не менее, оказывает весьма заметное улучшающее влияние на качество звука - складывается впечатление избавления от "звуковой шелухи". Дело в том, что как видно по форме сигнала усилителя мощности (рис. 19), ООС по ускорению действует на более высоких частотах, чем ООС по скорости (сравните с рис. 12).

Достижимая глубина ООС по ускорению (она регулируется переменным резистором с выхода INV) ограничивается самовозбуждением схемы. Причина самовозбуждения состоит главным образом в нарушении необходимых фазовых отношений сигналов обратной связи и выходного сигнала усилителя мощности даже вне рабочего диапазона частот головки. Это предъявляет соответствующие требования к согласованности частотных и фазовых характеристик отдельных компонентов схемы.

3.6. Общая ЭМОС. Все три цепи обратной связи обладают довольно высокой самостоятельностью без заметного взаимного влияния. Тем не менее, косвенное взаимное влияние все же есть, так как результирующие эффективные параметры (резонансная частота и добротность) определяются суммарным действием цепей ОС. Поэтому следует проводить наладку схемы в последовательности, изложенной выше, ограничив диапазон действия ООС по ускорению резонансной частотой головки. В конце наладки следует измерить АЧХ по выходному напряжению усилителя мощности в диапазоне рабочих частот головки. АЧХ может иметь провал на частоте резонанса, но в целом низкочастотная область не должна быть провалена. Завал средних или верхних частот рабочего диапазона, связанный с действием ООС по ускорению, целесообразно скорректировать по входу. В ряде случаев, во избежание перегрузки, следует ограничить полосу частот усилителя мощности рабочим диапазоном частот головки. При этом следует помнить, что любая коррекция общей АЧХ производится только по входу усилителя мощности - Uin на схеме рис. 7. Полоса рабочих частот усилителя мощности должна быть существенно шире, чем диапазон рабочих частот ЭМОС во избежание фазовых искажений, а также в связи с необходимостью обеспечить низкое выходное сопротивление во всем диапазоне. Наконец, очевидно, что данная схема может управлять работой только одной "голой" головки (без разделительных фильтров и т. п.).

Единственный проблематичный момент состоит в выборе глубины ООС по скорости, когда с одной стороны есть возможность подавить вибрации диффузора, а с другой - обеспечить скорость и гладкость переходного процесса. Я лично предпочел глубокую ООС (примерно, как на рис. 13), так как призвук диффузора сильно влияет на чистоту звука, после чего измерил отдачу акустической системы с помощью микрофона и далее, скорректировал имеющиеся подъемы и провалы АЧХ по звуковому давлению при помощи специализированного именно для нужных частот эквалайзера. Дело в том, что глубокая ООС по скорости, кроме всего прочего, весьма существенно глушит призвуки ящика, поэтому суммарный эффект от ее введения - положительный. Отмечу также, что использованная мною головка 4А-32 имеет недостаток, кроющийся в дополнительном коническом диффузоре со свободными краями, обладающем собственными колебаниями. Уменьшить эти колебания можно, сформировав дополнительное ребро жесткости на наружном крае конуса в виде буквы "г". Вообще, конические диффузоры со свободным краем (на тонких эластичных подвесах) склонны к возникновению круговых колебаний, которые очень слабо затухают и не поддаются коррекции с помощью ЭМОС.

Наконец, следует подчеркнуть, что метод ЭМОС предназначен в первую очередь для уменьшения переходных искажений и подавления паразитных колебаний диффузора. Коррекцию АЧХ с помощью ЭМОС целесообразно производить только в низкочастотной области путем регулировки ПОС по смещению. Если настроенная таким образом АС нуждается в коррекции АЧХ, то ее следует реализовать путем соответствующей коррекции АЧХ входного сигнала.

3.7. Контроль качества акустической системы. Традиционный контроль качества АС по ее АЧХ очевиден и мы не будем его касаться. Вообще же, в среде аудиофилов бытует мнение, что объективный контроль качества АС невозможен. Я осмелюсь предложить способ объективного контроля именно качества звука, а не технических показателей. (Впрочем, возможно этот способ давно известен).

Берутся два качественных речевых сигнала примерно одинакового уровня громкости и раздельно через стереоусилитель подаются на две АС, стоящие рядом. Слушатель располагается на достаточном удалении от систем, чтобы обеспечить "точечность" источника звука. Далее сигналы смешиваются кнопкой "моно", то есть каждая АС воспроизводит оба сигнала одновременно. Объектом контроля является разборчивость одного речевого сигнала на фоне другого и степень изменения разборчивости при переходе от режима "стерео" к "моно" и обратно. В варианте идеальных АС степень разборчивости не изменяется, а в варианте плохих - разборчивость изменяется очень сильно, обе фонограммы сливаются в единое, нечто. Эффект сильнее заметен для речи на иностранных языках (особенно на польском), поскольку исчезает эффект узнавания слов по контексту. Ощутимость звуковых искажений при восприятии речи однозначно связана с восприятием смысла, что обеспечивает объективность и точность контроля данным методом, в отличие от метода прослушивания музыкальных программ. Объективное улучшение качества звука субъективно воспринимается как уменьшение внутреннего напряжения при восприятии звука и усталости при длительном прослушивании. Опыт показывает, что грамотное использование ЭМОС существенно улучшает качество воспроизведения звука по данному показателю, относящемуся прежде всего к средним частотам. Что касается низких частот, то здесь важнейшими показателями является отсутствие резонансов и переходных процессов. Это обеспечивает, как говорят аудиофилы, "детальность", быструю атаку звука и затухание, ровное, сбалансированное звучание во всех регистрах. В этом плане субъективные восприятия и аппаратный контроль хорошо согласуются. Однако низкочастотная область существенно зависит от конструкции АС, и в этом отношении ЭМОС может оказаться зачастую бессильна.

3.8. Конструкция. Конструктивно система с ЭМОС может быть оформлена как активная АС либо как пассивная, со схемой управления, расположенной в корпусе главного усилителя. В этом случае необходимо поместить мостовую схему внутри корпуса АС и дополнительно вывести три провода (сигналы Vo, V и отдельный сигнальный нулевой провод). Если АС содержит несколько головок, то головки, работающие без ЭМОС, необходимо подключать с выхода усилителя на нуль, минуя мостовую схему. Такой способ возможен, только если нет необходимости ограничивать полосу пропускания усилителя. Наилучший вариант для нескольких головок - активная АС с отдельным усилителем и схемой ЭМОС для каждой головки. При этом отпадает проблема с разделительными фильтрами, а радиаторы охлаждения можно расположить на задней стенке АС. (В наше время, когда стоимость всей электроники сопоставима со стоимостью пары хороших конденсаторов, экономический фактор уже не играет той роли, что в прежние времена).

Заключение

Разработана, испытана и теоретически обоснована методика коррекции акустических характеристик динамических головок с использованием электромеханической обратной связи одновременно по трем параметрам - смещению, скорости и ускорению звуковой катушки в полном рабочем диапазоне головок. Предложенная схема и методика наладки подходит для динамических головок любого типа, включая высокочастотные. Показана возможность сокращения всех типов переходных процессов в головках, включая те, что обусловлены волновыми процессами в диффузоре.

Нужно отметить, что использование ЭМОС дает возможность расширить диапазон воспроизводимых частот в низкочастотной области, однако этим не следует злоупотреблять, так как возможны энергетические перегрузки головки. Основная функция ЭМОС - улучшение переходных характеристик и некоторое повышение линейности, а не выход за пределы возможностей самой головки.

Мельники 2019.

Литература

1. В.К. Иоффе, В.Г. Корольков, М.А. Сапожков. Справочник по акустике. М., Связь, 1979.

2. Митрофанов Ю., Пикерсгиль А. Электромеханическая связь в акустических системах. Радио N5, 1970.

3. Акилов Б. Еще раз об электромеханической обратной связи в усилителях низкой частоты. Радио N3, 1973.

4. Эфрусси М. О воспроизведении низких звуковых частот. Радио N7, 1974.

5. Митрофанов Ю., Пикерсгиль А. Новое в электромеханической обратной связи. Радио N3, 1975

6. Митрофанов Ю. Усилитель с ЭМОС на интегральных схемах. Радио N6, 1976.

7. Салтыков О. ЭМОС или отрицательное выходное сопротивление. Радио N1, 1981.

8. Имас А. Усилитель с ЭМОС по ускорению диффузора. Радио N9, 1981.

9. Беспалов И. Пикерсгиль А. И снова об ЭМОС. Радио N7, 1985.

Аннотация

Изложена методика построения ЭМОС в динамических громкоговорителях в полном диапазоне рабочих частот. Дано теоретическое обоснование метода, схема и пошаговая процедура наладки. Полный вариант статьи из журнала Радиоаматор 11, 2019.

Оставить комментарий © Copyright Чередник Павел Федорович (p.cherednyk@gmail.com) Размещен: 23/03/2021, изменен: 23/03/2021. 90k. Статистика. Статья: Изобретательство Иллюстрации/приложения: 19 шт. Скачать FB2		Ваша оценка:
Аннотация: Изложена методика построения ЭМОС в динамических громкоговорителях в полном диапазоне рабочих частот. Дано теоретическое обоснование метода, схема и пошаговая процедура наладки. Полный вариант статьи из журнала Радиоаматор 11, 2019.

Чередник Павел Федорович : другие произведения.

Широкополосная Эмос в электродинамических громкоговорителях. Теория, схема, наладка